ВМЕСТО КРЕМНИЯ

При том, что большинство ученых Армении связывает свою деятельность с фундаментальной наукой, в последние годы появилось достаточно много научных групп, исследования которых направлены на получение прикладных результатов. И такое соотношение в сфере исследовательской деятельности, несомненно, оправдано, поскольку без фундаментальной науки развитие прикладной невозможно.

НАУЧНАЯ ГРУППА ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ отдела прикладных исследований Национальной лаборатории им. Алиханяна (ЕрФИ), которой руководит главный научный сотрудник Эдуард Алексанян, в рамках гранта Комитета по науке РА уже не первый год занимается исследованиями, связанными с созданием новых материалов для солнечной энергетики. Сегодня более 90% солнечных батарей производят из кремния. Однако его использование в этих целях – не самое выгодное решение. Чтобы обеспечить необходимый в данном случае очень высокий уровень чистоты кремния, требуется температура порядка 1500 – 1600 градусов Цельсия, а также полное исключение примесей, что в целом обходится дорого. Однако в 2009 году японские ученые обратили внимание на перовскиты – редко встречающийся в природе класс материалов, которые могли бы заменить кремний.

С использованием перовскитов ученые связывают огромные перспективы – возможности их широкого применения в солнечной энергетике, фотонике, оптике. Однако с практическим применением перовскитов связана большая проблема – под воздействием ряда факторов они разрушаются в течение одного-двух часов. Сегодня тысячи научных групп во всем мире исследуют перспективы повышения стабильности перовскитов – ищут возможность задержать фазовый переход, который приводит к утрате свойств этого материала, необходимых для его практического использования. Но когда ученым удастся решить проблему нестабильности перовскитов, эти материалы смогут заменить кремний. А преимущества практического применения перовскитов очень существенные. Их легко получить в лабораторных условиях - достаточно смешать всего лишь два- три компонента, при этом не требуется ни вакуума, ни высоких температур, использование которых связано с большими затратами. Важно, что для применения перовскитов не требуется высокая чистота материала.

Перовскиты обладают еще одним очень существенным преимуществом – их коэффициент поглощения очень высокий, значительно выше, чем кремния, то есть для выполнения необходимых функций, требуется очень тонкий слой этого материала. Если для поглощения света необходим слой кремния толщиной в 1 мм, то для перовскитов - в тысячу раз меньший. Это важно при применении перовскитов в условиях космоса, где каждый лишний грамм обходится дорого. И тут возникает еще одна дополнительное преимущество – перовскиты менее восприимчивы к воздействию радиации, чем кремний, и обладают достаточной радиационной стойкостью для выполнения своих функций в условиях космоса. В данном случае это очень существенное преимущество, которого требует проведения серьезных исследований.

Таким образом, перед учеными, работающими с перовскитами, стоят две основные задачи. Первая - обеспечить условия, существенно задерживающие фазовый переход, чтобы сохранить свойства этого материала, вторая - изучение радиационной стойкости перовскитов. Результаты проведенных исследований дают все основания полагать, что сохранить свойства перовскита в течение нескольких месяцев совершенно реально. Но этого недостаточно. Если солнечные элементы из нового материала придется часто менять, то это принципиально снижает его преимущества перед кремнием. Задача ученых - задержать фазовый переход в перовскитах на 20-25 лет. Тогда эти материалы смогут достаточно долго сохранять необходимые свойства, а простота и низкая стоимость их получения позволят полностью заменить кремний. Обе задачи далеко не простые. Чтобы задержать фазовый переход, потребуется, говоря упрощенно, заменить в материале одни атомы на другие. Для этого ученые вводят в перовскиты различные примеси. А в исследованиях, направленных на повышение радиационной стойкости, используются имеющиеся в институте электронный и протонный пучки, а также нейтронный пучок, который предоставляют коллабораторы из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. То есть ученые получают возможность облучать материал нейтронным пучком. У армянских ученых есть редкая возможность воздействовать на эти материалы протонами с энергией 18 мегаэлектронвольт, которая часто встречается в космосе.

В ПРОВОДИМЫХ ПО ОБОИМ НАПРАВЛЕНИЯМ ИССЛЕДОВАНИЯМ УЧАСТВУЮТ и другие коллабораторы – Институт радиофизики и электроники НАН РА, Институт химической физики имени А.Б. Налбандяна НАН РА, Университет Нотр-Дам (США), ученые из Южной Кореи. Полученные результаты представлены в публикациях в международных научных журналах с высоким импакт-фактором.

Ученые Великобритании, Китая и Польши, занимающие передовые позиции по этим исследованиям, предполагают найти решение стоящих перед наукой задач по обеспечению перовскитов необходимыми свойствами, в течение ближайших двух лет, но это не значит, что исследования, проводимые в других странах, лишены перспектив. Каждая научная группа использует свои исследовательские возможности и продвигается к поставленной цели своим путем, что в целом дает результаты, важные для решения стоящих перед наукой задач. Свои преимущества есть и у армянских ученых. Понятно, что ждать долгих 20-25 лет, чтобы убедиться в прочности созданного материала, не стоит, значит нужно создать те условия, которые могут так или иначе воздействовать на него и выяснить, какие примеси повышают прочность нового материала и какие процессы происходят в нем на электронном уровне, чтобы обоснованно прогнозировать его прочность.

Группе оптической спектроскопии с помощью введения примесей уже удалось получить материал, сохраняющий свои свойства значительно дольше, чем при отсутствии дополнительных компонентов. Время жизни этого материала увеличено в несколько раз. Еще одна возможность повышения стойкости перовскитов – использование наноразмерных материалов. Известно, что их стойкость значительно выше.

Сотрудники группы оптической спектроскопии с новыми материалами работают не впервые. Например, прежде они занимались силикатными материалами, которые тоже могут использоваться в космосе как термоконтролирующие поверхности, что очень важно, поскольку при входе в атмосферу температура космического аппарата повышается так сильно, что это становится реальной угрозой для сохранности корпуса, он может просто расплавиться. При этом менее 1 мм силикатного материала может защитить от перегрева космический аппарат. Силикатные материалы могут использоваться и в авиационных турбинах.

Группа занимается исследованием влияния радиации, температуры, давления на разные новые материалы, один из которых был получен в Институте общей и неорганической химии НАН РА. Как показали исследования, этот материал оказался стойким к воздействию радиации и имеет высокий коэффициент отражения, то есть не поглощает тепло, что важно при покрытии тех или иных поверхностей аппаратов, работающих в жестких условиях. И еще одно преимущество нового материала - он значительно дешевле используемых сегодня аналогов.

Есть еще одно направление, которым занимается эта группа – поиск и создание материалов, способных работать в качестве фильтров, что особенно актуально для атомных станций, где образуется радиационная пыль (она не должна поступать в атмосферу). Для обеспечения безопасной работы АЭС нужны фильтры, захватывающие эти частицы. Исследования, проводимые с цеолитами, дают хорошие результаты, что в дальнейшем предполагает возможности их практического использования.

Все работы проводятся на уровне электронных переходов, что позволяет досконально изучить происходящие в материалах процессы и прогнозировать их изменения под воздействием разных факторов.